航天器交会对接撤离段控制问题研究

论文摘要

载人航天技术已经成为世界航天的发展热点,而航天器自主交会对接是载人航天工程中的一项极其关键的技术。绝大部分的载人航天工程,如航天器在轨服务、太空援救和维修、空间站物资补给等,都需要空间交会对接技术。就目前我国正在开展的空间站计划和登月计划而言,对航天器自主交会对接的研究具有重要的现实意义。本文针对航天器自主交会对接撤离段的轨道机动控制问题进行了较为系统的研究。建立了撤离过程的动力学模型,考虑航天器有限推力约束及性能指标约束等,针对不同的控制目标,设计了航天器撤离的有限推力保性能控制律和有限推力H∞控制律。本文具体研究内容如下:（1）建立了撤离动力学模型。参考相关文献,详细描述了撤离过程的三个阶段;基于二体问题,建立了撤离过程的相对运动方程,即Clohessey-Wiltshire（C-W）方程,并基于C-W方程分析了追踪航天器在不同对接口解锁弹开后的自由运动形式和特点。另外,简要介绍了追踪航天器在撤离过程中受到的一些约束条件。（2）设计了航天器撤离有限推力保性能控制律。首先根据C-W方程建立了状态误差模型,将常值跟踪问题转换为新模型在状态反馈控制律作用下的渐近稳定问题。考虑有限推力约束及二次型性能指标,设计了具有二次型性能指标最小上界的有限推力保性能控制律。通过仿真算例分析比较了V-bar撤离、R-bar撤离和H-bar撤离的燃料消耗情况,最后对追踪航天器从R-bar、H-bar位置保持点向V-bar保持点转移绕飞进行了仿真分析。（3）设计了航天器撤离有限推力H∞控制律。首先通过模型转换将常值参考信号的跟踪问题转化为了增广系统在状态反馈控制律作用下的渐近稳定问题,考虑有限推力约束及二次型性能指标输出,设计了使所定义的H∞性能指标最小的有限推力H∞控制律,通过仿真算例对比分析了有限推力保性能控制律和有限推力H∞控制律,以及有限推力约束上界对干扰抑制能力影响。最后对R-bar、H-bar保持点向V-bar保持点绕飞的情况也进行了简要仿真分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 航天器交会对接发展概况及研究现状
• 1.2.1 航天器交会对接发展概况
• 1.2.2 交会对接控制问题研究现状
• 1.2.3 撤离段控制问题研究现状
• 1.3 本文的主要内容
• 第2章 撤离段动力学模型
• 2.1 引言
• 2.2 撤离过程描述
• 2.3 撤离动力学模型
• 2.3.1 二体问题
• 2.3.2 相对运动方程
• 2.4 追踪航天器解锁弹开后的自由运动
• 2.5 约束条件
• 2.5.1 有限推力约束
• 2.5.2 燃料约束
• 2.5.3 羽流约束
• 2.6 本章小结
• 第3章 航天器撤离的有限推力保性能控制
• 3.1 引言
• 3.2 航天器撤离的有限推力保性能控制问题描述
• 3.2.1 保持点特性分析
• 3.2.2 性能指标
• 3.2.3 控制问题描述
• 3.3 有限推力保性能控制律设计
• 3.3.1 模型转换
• 3.3.2 控制律设计
• 3.4 仿真分析
• 3.4.1 V-bar、R-bar和H-bar撤离
• 3.4.2 保持点之间的绕飞转移
• 3.5 本章小结
• 第4章 航天器撤离的有限推力H∞控制
• 4.1 引言
• 4.2 航天器撤离有限推力H∞控制问题描述
• 4.2.1 性能指标
• 4.2.2 控制问题描述
• 4.3 航天器撤离的有限推力H∞控制器设计
• 4.3.1 模型转换
• 4.3.2 控制律设计
• 4.4 仿真分析
• 4.4.1 V-bar、R-bar和H-bar撤离
• 4.4.2 保持点之间的绕飞转移
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢